Investigation and modelling of radiation transfer in flat photobioreactors for mixed cultures of purple phototrophic bacteria

In recent years, Purple Phototrophic Bacteria (PPB) gained great interest for wastewater treatment due to their ability to use the infrared light for promoting biokinetic processes at high yield. However, there is a lack of knowledge about the radiation transfer variations in photobioreactors (PBRs) for PPB, therefore further studies are required to enhance engineering applications. This study aimed at (i) investigating the influence of monochromatic light at a wavelength of 850 nm on the growth of a mixed culture of PPB in a lab-scale flat PBR at the temperature of 30° C, (ii) determining the optical properties of PPB which were grown with different incident light intensities ranging from 10 to 60 W/m2, and (iii) modelling radiative fields in the PBR with Beer-Lambert law, Two Flux Approximation model, and Computational Fluid Dynamics (CFD) software. Four batch tests were carried out in the lab-scale apparatus with different incident lights of 10, 20, 40, and 60 W/m2 on the surface of flasks where PPB grew until stationary conditions were reached. The PPB growth was considerably faster when intensities of 40 and 60 W/m2 were applied in the PBR compared to the other intensities. However, the intensity of 20 W/m2 was considered the best design solution for balancing energy cost and energy losses. Optical properties showed a mainly forward scattering behaviour by PPB and absorption was lower when photoinhibition occurred, starting when the intensity of 40 W/m2 was applied and getting more relevant for 60 W/m2. Comparing Beer-Lambert law and Two Flux Approximation results, neglecting scattering leads to discrepancies up to 33% for a PPB concentration of 200 mg/L, but for concentration above 500 mg/L, absorption is the main phenomena and Beer-Lambert law can be applied as the differences between the results of two approaches are negligible. The results of both models indicated that half of the reactor was in the dark when PPB concentrations reached 320 mg/L, thus inhibiting PPB growth. The results showed a good fitting of CFD simulations with both other models, and the results confirmed that CFD is a precise tool for predicting the radiative field inside the PBR.

Negli ultimi anni, i batteri fototrofi viola (PPB) hanno guadagnato grande interesse nel trattamento delle acque reflue grazie alla capacità di usare la luce infrarossa per promuovere processi biocinetici ad alta resa. Tuttavia, mancano le conoscenze sulle variazioni del trasferimento radiativo nei fotobioreattori (PBRs) con PPB, per cui sono necessari altri studi per migliorare le applicazioni ingegneristiche. Lo studio si propone di (i) indagare l'influenza della luce monocromatica di lunghezza d'onda pari a 850 nm sulla crescita di una coltura mista di PPB in un PBR piatto da laboratorio a 30° C, (ii) stimare le proprietà ottiche dei PPB cresciuti con diverse intensità tra 10 e 60 W/m2 e (iii) modellare i campi radiativi nel PBR con la legge di Beer-Lambert, il modello Two Flux Approximation, e un software di fluidodinamica computazionale (CFD). Quattro test batch sono stati eseguiti in un apparato sperimentale con intensità pari a 10, 20, 40, e 60 W/m2 sulla superficie di fiasche in cui i PPB sono cresciuti fino al raggiungimento delle condizioni stazionarie. La crescita dei PPB è stata più rapida per le intensità di 40 e 60 W/m2. Tuttavia, l’intensità di 20 W/m2 è risultata la condizione migliore considerando i costi e le perdite energetiche. Le proprietà ottiche hanno mostrato una dispersione prevalentemente in avanti da parte del PPB e l'assorbimento è stato inferiore quando si è verificata la fotoinibizione, osservabile da 40 W/m2 sulla superficie delle fiasche e in misura più rilevante per 60 W/m2. Confrontando la legge di Beer-Lambert e Two Flux Approximation, trascurare la dispersione porta a differenze fino al 33% per una concentrazione di PPB di 200 mg/L, ma oltre 500 mg/L l'assorbimento è il fenomeno principale e la legge di Beer-Lambert può essere applicata direttamente, poiché le differenze tra i modelli sono trascurabili. Entrambi i modelli hanno rilevato il reattore per metà in ombra per concentrazioni superiori a 320 mg/L, inibendo la crescita dei PPB. I risultati hanno mostrato un buon adattamento delle simulazioni CFD con gli altri modelli, e che la CFD è uno strumento preciso per prevedere il campo radiativo all'interno del PBR